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关于变压吸附制氧设备现状与应用

作者:鄂州汴京空气分离设备有限公司
出处:武汉汴京空气分离设备有限公司www.ebkongfen.com
发布时间:2010-7-6 16:15:19

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关键词】变压吸附制氧设备,武汉汴京空气分离设备有限公司
摘要】变压吸附制氧以其启动快-能耗低、操作简单、负荷运转调整范围大及维修简单等特点,已经广泛应用于有色金属冶炼(炼铜、炼锌、炼铅、炼金、炼镍、钛白粉等)、黑色金属冶炼(高炉富氧喷煤炼铁、电炉炼钢等)、富氧燃烧(工业锅炉、玻璃炉窑、电解铝)、化工造气(合成氨、甲醇、乙烯、乙二醇生产等)、医疗领域和污水处理(富氧爆气)、纸浆漂白、双氧水生产、化学中各种氧化、水泥工业铁氧水泥、耐火砖制造、臭氧发生器、水产养殖、碳黑生产、医用保健等。

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关于变压吸附制氧设备现状与应用

武汉汴京空气分离设备有限公司    贾冰   http://www.ebkongfen.com/

 

 

 

 

 

 


一、变压吸附制氧简介

变压吸附制氧以其启动快-能耗低、操作简单、负荷运转调整范围大及维修简单等特点,已经广泛应用于有色金属冶炼(炼铜、炼锌、炼铅、炼金、炼镍、钛白粉等)、黑色金属冶炼(高炉富氧喷煤炼铁、电炉炼钢等)、富氧燃烧(工业锅炉、玻璃炉窑、电解铝)、化工造气(合成氨、甲醇、乙烯、乙二醇生产等)、医疗领域和污水处理(富氧爆气)、纸浆漂白、双氧水生产、化学中各种氧化、水泥工业铁氧水泥、耐火砖制造、臭氧发生器、水产养殖、碳黑生产、医用保健等。

变压吸附制氧已经被广泛推广和应用。特别是在今天国家对产业经济下决心宏观调控的大气候下,企业要生存要发展,就要节约能耗、降低成本。而变压吸附制氧在节省总体投资、减少占地面积、节约能耗、降低成本上有他独特的优势。八十年代以来,随着变压吸附制富氧技术的成熟,在无须高纯氧气的场合,变压吸附法已成为世界上获取低成本氧气的主要方法。国内变压吸附制氧的发展,虽然起步晚,但发展速度却很快,短短的时间已经完成了装置从小型化到大型化的发展,并且技术成熟、稳定、先进。随着新型高效变压吸附制氧分子筛吸附剂的研制成功和国外新型吸附剂的引进,使国产变压吸附制氧装置的能耗指标达到了0.35kwh/,接近和达到了国外先进装置的水平。国内已经先后有上百套变压吸附VPSA制氧装置投产使用或在签约制造中,设计和制造能力也已达到35000m³/h纯氧,纯度≥90%。已经成功运行的最大装置12000NM³/hO2,能耗是0.35KWh/ M³O2,运行平稳可靠,并可变工况调节运行,如产量(大中型装置)可做多工况调量运行、纯度可在65%∽93%之间调整,并且产量调量运行时能耗基本不增加。

变压吸附制氧分高压吸附常压解吸(PSA)和常压吸附真空解吸(VSA)及低压吸附真空解吸(VPSA)三种工艺流程。其实三种工艺流程只是操作压力稍有差异,本质都是一样的。而低压吸附真空解吸的VPSA流程能耗标准又是最低的,并且装置稳定、可靠、经济、工艺先进,代表着PSA发展的趋势,所以现在采用的和通常所说的变压吸附制氧装置一般都是VPSA装置。本公司推荐和采用的也是这种VPSA装置。

本公司依托原在国营制氧机龙头企业长期工作所掌握的制氧机技术,并经技术人员的进一步开发研究,兼纳并容,吸取其他制氧机企业的经验和教训,形成了自己的一套新技术、新工艺,技术先进、工艺可靠。 VPSA制氧工艺的研究与开发已经成为公司发展的主要方向和重点。公司着力研发新型高效径向流吸附塔和脱氩工艺,以求VPSA工艺更上一层楼,进一步降低能耗,提高装置的性价比,提高市场竞争力。

二、变压吸附制氧的应用

1.变压吸附制氧在黑色冶炼中的应用

1.1变压吸附制氧在电炉炼钢中的应用

变压吸附制氧在电炉炼钢方面已经有许多成功的经验和实例。

台湾和日本约60%∽70%的电炉炼钢企业在用变压吸附制氧法炼钢。

在中国用变压吸附制氧法电炉炼钢已经非常普及(如西林钢铁公司阿城钢厂、贵阳特殊钢厂和江苏淮阴钢厂等)

我们分析一下电炉炼钢的特点:电炉炼钢本身是在用废钢为主原料来炼钢,电炉炼钢主要是靠电弧来熔化废钢,氧气只是在电炉冶炼过程中助熔和停电吹氧脱碳过程中产生化学热,来提高冶炼温度,因为主要是靠电弧熔化,氧气只是辅助,因此对氧气纯度要求就不高(实际上电炉炼钢不用氧气也能炼钢)。转炉炼钢则不同,主要材料是高炉铁水,高炉铁水进入转炉后必须吹入高纯度的氧气充分燃烧除去铁水的中Si、S、P、Mn等杂质,才能还原成钢水。由此可见在转炉炼钢中氧气的作用非常大,所以对氧气纯度要求相对较高。有资料显示,转炉炼钢要有99.2%纯度(合格品)的氧气(一般深冷制氧机把氧气纯度都做到了优质品级99.6%)。但是没有任何资料显示电炉炼钢必须要有99.2%纯度的氧气。本公司常年从事制氧机方面的制造供应和安装调试工作,与全国多家钢铁设计院都有密切的工作联系,对于这个问题,本公司咨询过有关专家,得到的答案是变压吸附可以进行电炉炼钢,同相关的理论资料一样,没有说必须用99.2%纯度的氧气才能电炉炼钢。实际上多家在用变压吸附制氧炼钢的厂家,现场使用的氧气纯度都是91%~93%之间。

有投资者提出:“变压吸附制氧纯度较低,能不能炼特钢?”

电炉炼特钢和炼普钢前面的过程都是一样的,都是在电炉中靠电弧融化废钢,吹氧助融和断电吹氧脱碳,吹氧的过程是在电炉中完成。精炼这道工序不需要吹氧。在电炉中加入其他配料,以改变钢的成分,获取需要的钢种。所以电炉炼特钢与炼普钢本质上对氧气的要求是一样的。

有投资者说,我们的炼钢品种中有船舶用钢,用低纯度氧冶炼含氮量可能要超标,引起钢质发脆。变压吸附能产生93%以上的氧气,4%的氩气,还有1~3%的氮气,氩气对炼钢是没有坏处的,这1~3%的氮气含量对某些品牌的特种钢可能会造成含氮量超标。国家对耐低温冲击用钢比如船舶用钢和油井管的含氮量有明确规定,要≤70ppm,对常温状态使用的合金钢如弹簧钢、轴承钢、无缝钢管等都没有明确的规定(对普钢更没有规定)。而我们的电炉炼钢厂大多是不炼耐低温冲击用钢的,因此变压吸附冶炼特钢的范围应该是很广阔的。即便是企业根据市场需要要冶炼一部分耐低温冲击用钢,担心含氮量超标,也可以把原有的准备用于“火切”的低温制氧机或低温液槽切换一部分氧气过来,完成临时冶炼任务。实际上控制含氮量超标很大程度上是在生产工序控制上,而不在氧气纯度上。比如炉料清理的干净程度、生铁块(或铁水热装)的添加量大小等。本人曾到过我国某家大型的电炉炼钢厂,这家钢厂一直在用变压吸附制氧设备做为主打机组冶炼特钢,使用氧气纯度≥92%。该厂所炼特钢(比如17Cr2Ni2H、GCr15、40MMoV等)含氮量一直控制在80ppm左右,比较理想,产品也一直占据着全国相当大的市场份额。该厂生产技术部门告诉我们,他们主要在生产工序控制上做的比较好,并不存在为了提升氧气纯度而采取了什么特殊的措施。实际上大多数电炉炼钢厂冶炼特钢的份额比较多,普钢据少,特钢冶炼重视数量的同时更注重品质,主要是注重产品的附加值,多数厂家也是按单量产,因此它的特点决定了多以间断生产为主,这种状况下采用变压吸附制氧设备经济性显得尤为突出。

1.2高炉富氧喷煤炼铁

实际上早期使用变压吸附制氧装置最多的就是高炉炼铁。包括国外的变压吸附制氧装置打入中国最早的领域就是电炉炼钢和高炉炼铁,比如韶关钢厂和邯钢就是最早最先采用国外变压吸附制氧装置来进行电炉炼钢和高炉炼铁。高炉炼铁采用大喷煤和富氧至23%~24%能显著提高焦炉比,节省焦炭,提高炼铁效益。高炉富氧喷煤炼铁采用的氧气纯度要求不高,80%的氧气再通过鼓风机鼓风混氧至23%~24%,形成富氧空气,就满足了富氧喷煤的要求。如果采用深冷制氧机用于高炉富氧喷煤炼铁就要加大鼓风机功率,加大鼓风量,把99.6%的氧气通过鼓风机鼓风混氧至23%~24%,同样达到了富氧喷煤的目的,但是加大的鼓风机功率就白白浪费掉了,显得经济性就差一些。

1.3关于变压吸附制氧炼钢的氧气用量探讨

我们再讨论一下投资者关心的用变压吸附制氧炼钢氧气用量的问题。

实际上,只要保持氧气量供应充足,保持氧枪输出压力稳定不波动,对炼钢速度和氧枪消耗都没有与使用深冷法制氧明显的不同。这是本公司调研了多家电炉炼钢厂获得到的反溃资料。只是纯度低了一些,单位用氧量比深冷法要稍微大一些。这个增大的气量,也是93%纯度的氧折合到100%纯度的氧而需要多加的量,即与深冷法近乎等同规格装置须增加的量,而多加的气量因为属于氧枪喷嘴调节的范围也不会使吹氧速度降低,进而满足与深冷法同样的炼钢速度要求。以6000NM³/hO2空分为例,深冷法纯度是99.6%,产量是6000NM³/hO2,变压吸附纯度是93%,气量就要做到6500 NM³/hO2,折合成99.6%的纯度氧后,产量就是与深冷法等同的6000NM³/hO2。

2.变压吸附制氧在有色冶炼中的应用

随着国家产业结构的调整,有色冶炼在近几年发展很快。在采用氧气底吹炼铅、炼铜、炼锌、炼锑的工艺流程中和氧气浸出炼金、炼镍工艺的冶炼厂中不少厂家已经开始使用变压吸附制氧机。

钛白粉生产线也可以采用富氧在高温高压下与TICL4反应生产钛白粉PIO2(使用氧气纯度≥90%)

下面着重谈谈变压吸附制氧机在富氧底吹炼铅工艺上的应用

设计院在四年前的富氧底吹炼铅工艺中关于制氧机提出的要求是95%纯度的氧气,95%纯度的氮气。这个95%纯度的氧气正是现阶段变压吸附制氧机的极限。这个门坎的设定限制了变压吸附制氧机的使用范围。通过多年来的实践,现在设计院提的参数是85%纯度的氧气,90%纯度的氮气。这个纯度试验已经在一些冶炼厂的实际操作中得到佐证。说明设计院对变压吸附制氧机的态度已经是务实和认可。笔者四年前在某家炼铅公司看到设计院关于制氧机的推荐:“深冷机运转可靠;变压吸附需定期补充分子筛。采用变压吸附制氧机需要两套装置。”设计院的推荐中没有出现“变压吸附制氧不能采用”的字眼。设计院认为变压吸附产品单一,能制氧不能同时制氮,炼铅炉氧枪喷射同时要用氮气保护,要制氮需要再上一套装置。设计院的观点是基于对原来变压吸附制氧机概念上的观点,实际上变压吸附制氧的技术发展是很快的,可靠性问题主流是肯定的。制氮也不一定需要上第二套装置,变压吸附制氧可以利用真空泵解吸出的氮气再做少量回收处理,回收氮气的产量和纯度也能达到保护气的要求,并且回收氮气增加的能耗加上制氧的能耗也低于同等产量深冷机的能耗指标。尤其体现在中小型变压吸附制氧设备上,这样做氮气回收处理更有可操作性。

我们常常可以看到这种现象,新上项目试车阶段和项目完成以后种种原因不能满负荷生产,频繁开停制氧机,这对深冷机来说不仅造成水电浪费,而且还有损设备寿命。实际上大家都知道有色冶炼需要混氧鼓风,不需要纯度太高的氧气,采用变压吸附制氧机应该是很合适的,既方便操作,又减少了电费,既经济又实用。

深冷机和变压吸附制氧机只是适用场合不一样,用户应该从自身经济和实用角度考虑选择机型。

3.变压吸附制氧在富氧燃烧领域中的应用

空气中氧气含量为≤21%。工业锅炉及工业窑炉燃料的燃烧也是在这样空气含量下进行的工作。实践表明:当锅炉燃烧的气体氧气量达到25%以上时,节能高达20%;锅炉启动升温时间缩短1/2-2/3。而富氧是应用物理方法将空气中的氧气进行收集,使收集后气体中的富氧含量为25%-30%。将这部份的富氧气体以二次风的方式送入锅炉或窑炉,可增加炉内整体或局部氧气含量,减少炉内整体空气过剩系数,有效降低由于空气过剩系数大时过剩的空气系数将热量带走,降低排烟温度。由于富氧的增加,可以提高着火的条件,燃烧完全,在节能的同时也保证了环保的效果,符合国家节能减排的要求

3.1富氧助燃技术的优点:

3.1.1增加热能利用率,提高火焰温度,从而达到节能降耗的目的。例如:玻璃窑炉可节能5-15%,提高产量5-10%。工业锅炉可节能5-15%。

3.1.2降低空气过剩系数,减少排烟量,降低排烟黑度,减少环境污染。

3.1.3设备整体性好,安装方便,效果好,投资回收快。

3.1.4安装周期短,见效快。

3.2富氧燃烧应用的范围

3.2.1工业燃烧锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉

3.2.2垃圾焚烧炉

3.3.3窑炉:如玻璃窑炉、水泥炉、陶瓷炉

3.3.4化工脱硫回收制酸

3.3.5硫酸盐纤维素(牛皮纸纤维素)的生产

3.3.6水泥工业中铁氧水泥、耐火砖制造等

富氧炼铝:日本三井氧化铝制造公司试验高炉炼铝技术,始于1975年,到1980年已在实验室制得纯度99.9%的高纯铝,1981年11月20日获准日本专利。高炉炼铝所用的热风,可使用富氧空气,即在空气中加入4%以上的氧。富氧空气经热风炉预热,从高炉下部第一风口喷入。到1984年,已完成1m3实验炉和喷吹能力为每小时喷吹240公斤粉煤以及每小时可将100m3氧气预热到500℃的预热设备。

4.变压吸附制氧在化工造气中的应用

我国合成氨、尿素产业也已经采用变压吸附制氧产生富氧造气。目前为止,型煤技术以及富氧连续气化还未能在全国同行业全面推广,但是富氧连续气化的优势是存在的,对合成氨工业的发展也是具有意义的,尤其中小氮肥厂采用型煤+变压吸附制氧+富氧连续气化组合模式对间歇制气合成氨工艺进行改造的发展前景是乐观的。合成氨富氧连续气化需要的氧气纯度大约50%左右。

变压吸附制氧在煤制甲醇(德士古水煤浆加压气化)中已经得到广泛的应用,不少煤化工企业已经不单单纯粹从环保的角度而使用变压吸附制氧,而是让它真正产生经济效益,既环保又节煤而且增加甲醇产量,而这个环节使用的富氧纯度只要50~60%就够了。

还有乙二醇、药物中间体等化工项目也在使用变压吸附制氧设备。

石脑油分解、碳黑生产也可以使用变压吸附制氧设备。

5.变压吸附制氧在造纸中的应用

造纸工业氧气蒸解、漂白、黑液氧化等也需要变压吸附制氧机。

随着国家对造纸工艺环保要求的升级,对纸浆(包括木浆、苇浆、竹浆)白的要求也越来高,原来采用有氯漂白的纸浆生产线要逐步改造成无氯漂白纸浆生产线;新上纸浆生产线要求采用无氯漂白工艺,纸浆漂白也不需要高纯度的氧气,采用变压吸附制氧机生产的氧气符合要求,既经济有环保,所以造纸业采用变压吸附制氧也有着广阔的前景

三、变压吸附制氧机与低温深冷制氧机对比

本文选用6000NM³/hO2和3600 NM³/hO2两档常用的制氧装置对变压吸附制氧机与低温深冷制氧机做一个使用和经济性对比

1. 经济性对比

1.1.6000NM³/hO2空分制氧装置对比

6000NM³/hO2空分制氧装置,低温深冷法制氧电耗为0.52 KWh/ M³O2,启动时间36h;变压吸附制氧电耗为0.35 KWh/ M³O2,启动时间0.5h;年开工率按8500h计算,我们可以直接计算出用变压吸附每年比低温深冷法节电:(0.52-0.35)X6000X8500=8670000(KWh),电价按0.56 元/ KWH计算,每年节约8670000X0.56=4855200元,即约四百八十六万元。这是每年运行节约的电费,如果加上水耗、装置启动和停车费用、氧气放散损耗、维修费用、备品备件、人工工资及贷款利率等方面的费用,每年变压吸附制氧运行成本要比低温深冷法运行成本节约资金五百八十万元以上。请注意,我们电耗的计算是同等规格装置折合成100%纯度氧的电耗,如果低温深冷法99.6%的纯度折合成100%纯度氧的话,能耗又要在0.52 KWh/ M³O2基础上增加4%。由此可见两种制氧方法能耗差异。

1.2.3200NM³/hO2空分制氧装置对比

3200NM³/hO2一挡的空分装置比照以上的计算方法,低温深冷法的电耗为0.55KWh/M³O2,变压吸附每年比低温深冷法节电:(0.55-0.35)X3200X8500=5440000(KWh),折合人民币约节约三百一十万元,加上以上计算的各种费用节约,每年变压吸附制氧运行成本要比低温深冷法运行成本节约资金四百二十万元以上。

2.检修对比

变压吸附在设备开停机和机组检修方面也比低温法制氧机有优势。

以上我们只是做了两档空分装置运行成本上的比较,实际上变压吸附开机只需要0.5h,检修也能在很短的时间完成,一般情况也不需要花费整天的时间。而低温制氧机开机和停机(加温吹除)都要36h;机器故障和分馏塔故障检修也要花费很长的时间,特别是大扒砂和装砂更要花费大量的人力物力。

长期使用低温制氧机的单位认为低温制氧机稳定性好,一开起来就什麽也不用管了;而变压吸附则稳定性不好,阀门经常卡住,影响生产连续性。客观讲,现在的低温制氧机也不是“一开起来就什麽也不用管了”,阀门、仪表和机械设备也一样存在故障率。今天的变压吸附也不是“阀门经常卡住,影响生产连续性”。阀门卡住现象多是仪表气源的洁净程度影响到了阀门执行机构中的电磁阀的开启,解决了仪表气源的洁净问题也就解决了电磁阀的堵塞现象。这样的“电磁阀的堵塞卡住现象”一般三个月左右会出现一次,清理时间有十几分钟就可以了。

3.投资对比

装置上马后总体上的投资变压吸附法也比低温深冷法节省一些。因为采用变压吸附法占地面积、土建施工和设备数量都有节省,在这上面低温深冷法是不具备优势的。

有投资方提出专用分子筛价格偏高,1t就要十几万,虽然10年一更换,但更换费用也很大。我们简单比较一下:6000 NM³/hO2空分制氧装置,变压吸附运行一年节省580万,运行十年就节省5800万,更换一次专用分子筛花费1000多万,还节省下4000多万;低温制氧机按现在普遍采用的4小时切换流程平均4年更换一次分子筛,运行10年更换分子筛费用约38万,更换费用是少,但是低温机运行10年要多花费5800万运行费用,这个经济账已经很明白了。

根据国内在用的制氧机评价材料证明,5000NM³/hO2以下制氧机,低温法制氧机除了有可生产副产品液体的优势外相对变压吸附优势已经不明显。而根据现国内陆续投产的几套大型变压吸附制氧装置使用资料显示,10000NM³/hO2以下制氧机组,低温制氧机与变压吸附也是优势互存。但在装置大型化上低温制氧机的优势还是明显的,国内已经能做到83000NM³/h,国外也已经能做到100000NM³/h。变压吸附因为受主机制造质量和容量的影响,也受大口径切换蝶阀制造难度和新型高效吸附塔开发研究滞后等原因影响,目前还做不到这样大的装置。特别是新型高效吸附塔的研究,有待进一步突破。高效吸附塔一旦有突破的话对装置大型化会有革命性的帮助,并且还会对国外制造商的变压吸附制氧机产生不小的冲击。在这方面国外制造商已经走到了前面,国内同行也已经在尝试了,但工业化的报道还没有见到。另外专用分子筛吸附剂也需要进一步开发研究,降低成本,提高性能,降低能耗,提高性价比。还有大家都面临的一个重要课题,就是尽快研究出脱氩新技术和新方法,能早一天进入可操作阶段,就会使氧气纯度得到显著提高,变压吸附装置就会上一个新台阶。如果在脱氩技术上能实现突破,变压吸附就会对低温深冷机产生严峻的挑战,它的使用市场也就会更加广阔。

四、关于变压吸附制氧机的稳定性

随着变压吸附制氧越来越多的使用,一些单位对变压吸附制氧的稳定性提出了一些质疑,特别是一些长期使用深冷制氧机和从事深冷制氧机制造的单位认为变压吸附制氧稳定性差,连续性差。我们针对这些疑问做些分析。

稳定性问题不外乎两方面:

1.产量和纯度的稳定性

1.1分子筛性能影响

一些单位反映说变压吸附产量和纯度使用会越来越低,我门认为可能出现的这种情况,与使用分子筛的质量、工艺装备水平及用户的操作都有一定的关系。

笔者曾参观考察过一些在运行的国内和进口的变压吸附制氧设备, 发生这种现象的装置中,使用分子筛的质量占据主要地位。分子筛是变压吸附的核心,分子筛性能优略和使用寿命的长短对产量和纯度的稳定性影响是直接的。

比如采用老5A分子筛的设备,问题就稍显突出些。使用年限和寿命比现在普遍采用的LIX分子筛就差了许多。有的用户本身上项目追求的就是短期效应,只求低价,上马快,设备早投产早见效益,就采用5A分子筛,不考虑运行成本和后期产量的稳定性问题,这种选型的设备稳定性就差一些。

采用LIX分子筛的用户是占了大多数的,特别是在大中型设备上,它的优势比较明显。采用LIX子分子筛,可以提高氧气提取率,有效降低能耗和减少分子筛的使用量,设备数量和占地面积也在减少,可靠性和经济性都比较强。因此采用5A分子筛的设备市场占有率在逐渐缩小, 采用LIX分子筛的设备在占据主导地位。

即便采用的都是LIX分子筛,因为制造工艺和配方的不同,性能指标也有所不同。这在国内运行的设备中已经看到了使用效果上的差异,从用户反馈回来的信息中也得到了印证。即便是国外的专用LIX分子筛也需要在性能质量和使用寿命上下些功夫,在笔者看到的国外设备中也同样存在分子筛寿命的问题。它昂贵的价格使得用户在添加或更换它的时候显得犹豫,用户希望分子筛寿命不只是十年,应该更长。所以提高分子筛性能也有助于提高产量和纯度的稳定性。

1.2阀门可靠性

阀门频繁切换,密封圈的使用寿命等对产量和纯度的稳定性也有影响。阀门长期使用,有时候也会产生执行机构开启不灵活,阀板关不严,或者密封圈达不到使用寿命要求,提前产生磨损而导致密封不严等现象,这些原因会引起泄露,导致保压保不住均压均不了,引起工况不稳,影响产量和纯度的稳定性。尽管在长期的运行实践中针对发生的问题做了不少改进,但是不管是国产阀门或者中外合资的阀门也都还是存在一个稳定性的问题。即便是原装进口的阀门在这样频繁切换使用的环境里也存在一个稳定性的问题。

1.3吸附器分布器分布均匀问题

我公司在吸附器分布器上采用的结构型式,经过长期的使用检验证明效果很好,气流分布合理、均匀、稳定。

我公司在吸附器的前部使用了非均匀的分级吸附床载体以使气体均匀流动到吸附床上。为引导气体朝吸附器的边缘部流动以促进气流均匀流动到吸附床上,进口气体分布器的开口面积也是不同的从含较易吸附组分和较难吸附组分的原料气体混合物中分离较易吸附组分的吸附系统,承载所述吸附床的位于吸附器前部的分级床载体,将原料气体混合物通入位于所述吸附器前部的进口气室进而导入到所述分级床载体的装置,均匀分级载床载体,从吸附器前部的中心向上向外延伸到其外缘从而产生到吸附器前部外缘的低阻力气体流动通道,吸附床的均匀气流。

1.4吸附塔结构性能

吸附塔的结构设计,也是影响分子筛的使用效果,影响产量和纯度的稳定性影响至关重要的一个因素。

国内的吸附塔结构普遍采用的是轴流式吸附床结构,这是目前的主流。这种吸附床的优点是结构简单,制造费用低,缺点是进气和排气对床层的冲击比较大,容器死隙比较大,设备体积也大,对气流分布计算要求比较严。因为这种吸附塔直径超大,频繁的正压进气和负压抽气造成大直径孔板的震动,会引起丝网松动、破裂,导致分子筛粉化、流化。这种进排气方式,分子筛老化和粉化过早出现的概率就相对大一些。这种老化和粉化过早出现的现象在国内和进口设备采用轴流式吸附床结构的装置中都曾经发生过。但是国内的供货商已经在致力研究和开发高效吸附塔了,尤其在径向流吸附塔的研究和开发上已经倾注了很大的精力,已经在尝试了,相信这种高效的径向流吸附塔在不久的将来就会打破外国人的垄断而被国人所掌握。

有技术开发上的原因,也有设备造价的原因,国内的吸附塔结构恐怕还要有一段时间要沿用这种结构。在没有大的结构设计突破的情况下,合理优化,解决好气流分布和孔板强度问题,把好制造关,这样稳定性问题也会有长期的保证。

随着使用年限的增加,因为流程组织和采用分子筛性能不同,用户操作使用和维修保养效果也不一样,个别机组存在这种产量和纯度降低的现象。即使有产量和纯度降低的装置,有限的降低对整套装置的使用不会造成太大的影响。对于国产机有充足富裕量的优点来讲,又是对产量和纯度降低的一种补充。况且分子筛供货商对分子筛的质量和使用寿命也有承诺:正常使用,十年之内因为分子筛质量原因引起产量和纯度降低,供货商免费更换或添加。

2.装置运行的稳定性

装置运行的稳定性对供货商来说是靠程控系统和装备质量来保证的,对用户来说则是靠正确的操作和维护保养来决定的。

2.1程控系统

程控系统采用的是PLC控制系统,国内这方面做得已经很成功,应用也非常普及广泛,这方面已经没有太多的问题。

2.2装备质量

装备质量的问题就比较复杂。

2.2.1工艺配备

进口设备多采用“一拖二”的机组配备,即一台电机同时带动鼓风机和真空泵运转,设备少但配置合理,主机的稳定性也好。鼓风机和真空泵体积也小,占地少,精度好,效率高,振动也小。而国内设备的配置却做不到这麽紧凑,不但实现不了“一拖二”,鼓风机和真空泵也做不到体积小和效率高,振动也大,故障率相对也高。这就是装备质量的问题。虽然变压吸附制氧因为设备少,故障相对较少,处理起来也比较容易,但与进口设备这种简捷高效的配置相比,设备增多故障点也随之增多,这就存在稳定性的差异。

2.2.2“消噪”处理

“消噪”处理的好坏对稳定性也有影响。有效的“消噪”处理,可以减轻设备和管道的振动,有助于提高装置运行的稳定性。

大家知道,噪音是由振动产生的,特别是萝茨真空泵出口消音器“消噪”处理对变压吸附来说是一个的难题,因为变压吸附的噪音很大一部分出自于它。萝茨真空泵抽真空时产生的气流流速达到30m/s,又是低频脉冲式的,对消音器筒壁产生断续又剧烈地冲刷,产生比较大的振动噪音,大家知道这种低频脉冲式的噪音“消噪”的难度是比较大的,这成了萝茨真空泵的一个“硬伤”。

难度大并不意味着没办法处理。笔者看到一家进口设备的湿式消音器“消噪”处理就比较好。国产设备也在不断尝试改进,效果也很明显。有的单位把振动源(萝茨鼓风机、萝茨真空泵和湿式消音器)做成屋中屋单独隔音,厂房内再整体消音,消音效果非常明显。鄂州汴京空气分离设备有限公司刚刚在大冶市兴成矿业有限公司投产的变压吸附制氧机就在“消噪”处理上做了些新的尝试,不但厂房内做整体“消噪”处理,连湿式消音器也给单独做了“消噪”处理,并且在消音器出口又增加了消音器,实测厂房外噪声只有68~70dB,远远低于国家标准。这就说明“硬伤”也有有效的办法解决。

进口设备的整体“消噪”处理做的比较精细,该做的处理一点都不省,连厂房横梁都做了消音处理,这一点值得我们国内供货商学习。

但是进口设备也有不完善的地方。我们谈的这家进口设备的鼓风机出口消音器,振动就比我们国产设备大。国产设备原来振动也大,但经过结构改进,振动大大减少。

2.2.3装备质量

装置运行的稳定性还有一条重要的因素,就是吸附塔制造质量。吸附塔制造质量的好坏会对装置运行的稳定性产生直接的影响。

因为国内的轴流式吸附塔超大的直径造成制造和运输的不便,我们的供货商出于制造成本上的考虑,多数采取就近寻找有资质的单位加工和供货的方式,这样做的好处是节约了制造成本和运输费用,但对制造质量的把关却造成了难度,给制造过程的有效监控带来了不便。这种制造质量上存在的不确定性因素甚至给设备的稳定性带来致命的隐患!这一点相信我们的供货商应该深有感触,本来设计很好的一套装置因为外包吸附塔的制造质量把关不严造成分子筛粉化、流化,给设备运行造成严重的伤害!这种严重的伤害在早期进口设备中采用轴流式的吸附塔中也曾经发生过,造成的损失也很大。

因此控制好产品质量,加强和提高装备制造水平,才能有效避免这种严重后果的发生。

实际上产量和纯度的稳定性和装置运行的稳定性都是在谈一个问题。国产设备虽然因为上面谈到的一些原因,在稳定性和结构设计上等还需要做出努力,但是国产设备也有自身的优点,造价低廉,设计富裕量大。进口设备从设备选型到分子筛用量都是采用模块设计,产量设计到位,工艺计算准确,几乎没有富裕量。量化准确,实际上也是一种严谨、成熟和负责的表现,这一点值得我们国产设备借鉴。

随着使用年限的增加,因为流程组织和采用分子筛性能不同,用户操作使用和维修保养效果也不一样,个别机组存在这种产量和纯度降低的现象。但大多数装置运行状况都是良好的,即使有产量和纯度降低的装置,降低的比例也是很小的,有限的降低对整套装置的使用不会造成太大的影响。对于国产机有充足富裕量的优点来讲,又是对产量和纯度降低的一种补充。况且分子筛供货商对分子筛的质量和使用寿命也有承诺:正常使用,十年之内因为分子筛质量原因引起产量和纯度降低,供货商免费更换或添加分子筛。

开发新工艺,设计新型吸附塔,研发更加高效的分子筛吸附剂,应该是变压吸附发展的方向。

2.3流程组织

国内在运行的变压吸附制氧装置,流程设计上有采用传统的萝茨鼓风机和萝茨真空泵的,有采用离心鼓风机和水环真空泵的。吸附剂也大都采用目前专用的LIX分子筛。专用切换蝶阀有采用中外合资产品的也有采用国产液压传动阀门的。采用萝茨风机流程的优点是能耗低了一些,缺点是噪音稍高,消噪的任务比较大了一些;采用离心风机和水环真空泵流程的优点是噪音稍低些,缺点是能耗稍高些,密封水量用得多了一些,密封水的回收工作也要多做一些。吸附塔的数量有采用两塔、三塔、四塔或五塔的(有开发单塔的报道,但没见到使用)。采用吸附塔的数量的多少实际上也是一个工艺装备水平衡量的标志,虽然供货商从各自工艺流程设计角度和装置运行稳定性、经济性角度考虑采用吸附塔数量的多少,但是进口的四千、五千变压吸附制氧装置,两塔流程就可以实现,甚至宣称七千也可以采用两塔流程。两塔流程工艺简单,操作方便,设备数量少,投资低,长期运行成本也低,当然是一种优化的流程设计,但要在大型装置上实现,理论上可行实际上难度很大。一是鼓风机和真空泵要实现大容量和高效率,二是吸附剂要性能优异,三是要有高性能的吸附塔。进口设备占据了后两条,如果实现了第一条,就可能做到。而我们国内同样的装置,在吸附剂性能差距不大的情况下,就是说第二条具备,但第一条和第三条现在不具备,采用两塔流程就比较困难。

本公司认为,在纯度要求不高的制氧机项目上,中小型制氧机(六千以下)采用变压吸附应该比较划算,在大型制氧机项目上(六千以上)采用深冷机可靠性比较强。


五、关于投资变压吸附制氧机的建议

1.关于投资变压吸附制氧机的建议

从2002年底开始,国家开始对五个行业进行宏观调控,对企业投资的限制更加严格,规定了种种底线,特别是对高能耗、低附加值的中小型企业国家发改委的态度很明确。多年的宏观调控现在已经大大的见效,中小型企业大面积地停产缩水,即便是国家保护的一些大型企业也受到大气侯的影响,在保本和亏损之间徘徊。在这样的大气候下企业要生存,除了在产品品种和质量上下功夫外,还要靠挖内功向管理向成本要效益。采用变压吸附制氧符合国家发改委节能减排和企业降低成本的要求,符合国家和企业长期发展的根本利益。习惯了低温深冷制氧的企业,认为它有技术含量,并且操作了多年非常熟悉,有感情;认为变压吸附是个“傻瓜”机型,技术含量不高。本人走访过不少炼钢企业,很多搞制氧的都有这样的感觉。生产线上的同志也是习惯了使用高纯度的氧气,认为纯度高速度才快。实际上这是一个误区。纯度高低与制氧成本是有关系的,与生产线成本更有关系,这在前面我们已经做了阐述。

变压吸附技术近几年发展得很快,一部分投资者还停留在四、五年前对变压吸附的认识上。这个认识在当时反映了的变压吸附客观状况,但在今天已经落后于现实了。当时因为受关键技术的制约,工艺落后、装置小、能耗高,最大也只能做到1000NM³/hO2,能耗≥0.5KWh/M³O,大多还是实验产品,稳定性差,问题较多。而现在随着制造技术瓶颈的突破,国内专用分子筛的研制成功和国外专用锂分子筛的引进,使得能耗大幅度降了下来,由原来的0.5 KWh/ M³O2降到了0.35KWh/M³O2;专用切换蝶阀的研制成功和国外切换蝶阀的引进,使机组运转的平稳性得以大大改善,机组运转安全、平稳、可靠,工艺水平也大大的提高了,今天的变压吸附,已经具有了国际水平的能耗指标和工艺水平。

2.关于进口和国产LI分子筛的选型建议

这实际上也是关于变压吸附制氧机投资问题的延伸。

本公司在与客户探讨关于变压吸附制氧机中有关LI分子筛的选型问题的时候有客户说国产LI分子筛的能耗是进口LI分子筛的两倍,所以进口LI分子筛质量好,产氧量高。首先要纠正的是这个说法不准确也不客观。

我公司不久在安徽一家有色冶炼企业同时看到叁套生产规模几乎一样的变压吸附制氧机,两套是进口的,一套是国产的,叁套装置流程组织几乎一样,配置也几乎一样,吸附切换周期也是一样,不同的是进口设备主机采用“一拖二”型式,分子筛也是进口的,国产装置采用的主机是国产的分离式的,分子筛也是国产的,两套装置单位能耗均显示是0.35KWh/ M³O2,这是我们现场看到的参数,不存在“国产LI分子筛的能耗是进口LI分子筛的两倍”的问题。

产生“国产LI分子筛的能耗是进口LI分子筛的两倍”说法的原因应该是出自国外分子筛厂家按照习惯的“空氧比”说法来推断的。所谓“空氧比”就是空气和氧气的产出比,是国外分子筛厂家比较直观的一种习惯说法,主要目的是宣传自己生产的分子筛虽然价格高但是质量好、能耗低,投资效益高。比如某国外分子筛厂家说他们生产的分子筛“空氧比”是6~8:1,说国内的分子筛“空氧比”是11~12:1,依据这种说法推断出来采用国外分子筛与采用国内分子筛能耗指标比例是1:2。我公司认为能耗问题不能这么简单按照“空氧比”的说法来推算。国外分子筛“空氧比”是不是6~8:1,国内在运行的装置,采用径向吸附床的装置应该是可以达到的,采用轴向流吸附床的应该是达不到的,而现在的装置主流大部分都是轴向流吸附床,因此是达不到6~8:1的;国内的分子筛“空氧比”是不是11~12:1,跟采用的吸附床结构也很有关系,采用轴向流吸附床的装置从在运行的来看应该还不止这个指标。实际上能耗指标应该是一个综合因素,“空氧比”是重要因素之一,但不是唯一因素。决定一套装置的能耗指标的大小不光是分子筛,还有装备制造质量,工艺水平,环境气候,实际操作等,还有实际的氧气收率大小。从我们承制和看到的变压吸附制氧装置来说,国外和国内装置的氧气收率和能耗指标是相近的,不存在有较大差距。但是分子筛现场用量存在差异这也是不争的事实。为什么会这样呢?我们认为流程组织是一个问题。除了流程组织外,国外分子筛的某些性能主要参数是比国内高一些的,比如氮气吸附量这个重要指标,国外分子筛是比国内分子筛略高一些的。这就存在吸附性能上的差异。虽然国内分子筛在其他指标上写的与国外指标相同甚至超出,但在实际运行的装置上却很难佐证其准确性。我们认为,国产分子筛在相对低纯度上可以满足设计工况要求,在越接近变压吸附高纯度的情况下,满足设计工况就略显困难,并在分子筛用量上、纯度提升上、装置容量及稳定性上就显示不出优势来,甚至在设备总价上也显示不出经济性。起码在目前装置主流大部分都是轴向流吸附床的状况下这种情况是客观存在的。我们认为,在纯度要求较高的变压吸附制氧装置上采用进口分子筛应该更容易实现设计要求。建议用户按照纯度指标要求选用分子筛,选型应该综合考虑性价比。

现在很多投资人已经改变了对变压吸附的传统观念,已经认识到了变压吸附的优越性。所以,国内的变压吸附制氧技术是可以信赖的,装置是可以放心使用的。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

联系人:贾冰

联系电话:13937802745

 

 

 

 

 

 

 

武汉汴京空气分离设备有限公司

2010年7月


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